焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行控制探究

王 浩

（山西焦化集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山西 臨汾 041606）

0 引言

近些年，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度越來越快，各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)面貌都發(fā)生了很大的變化，煉焦行業(yè)亦是如此。當(dāng)前，焦炭的應(yīng)用范圍越發(fā)廣泛，其已經(jīng)被拓展應(yīng)用到了諸多領(lǐng)域當(dāng)中，諸如電石、氣體焦炭、鑄造等，以焦炭資源為發(fā)展基礎(chǔ)的諸多領(lǐng)域因此得到了很大的助力[1-2]。據(jù)調(diào)查和了解，現(xiàn)階段的焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備發(fā)展越來越具先進(jìn)性，發(fā)展方向和目標(biāo)也與之前相比有了很大的變化，并正在朝著環(huán)保、大容積以及智能化的主流方向發(fā)展，我國的焦?fàn)t設(shè)備自動(dòng)化和機(jī)械化水平日漸提高，焦?fàn)t生產(chǎn)的安全性和高效性也因此得到了充分保障[3-4]。焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行控制工作便是以此為目標(biāo)，在日常生產(chǎn)過程中不斷加強(qiáng)對(duì)焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制力度，以推動(dòng)焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和高效利用。

1 焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行控制的目的及意義分析

煤炭焦化，即再次加工和制作原煤資源，結(jié)合各個(gè)行業(yè)的煤炭使用要求來進(jìn)行針對(duì)性的加工制作。焦?fàn)t生產(chǎn)的自動(dòng)化水平高低對(duì)于整個(gè)焦化廠的生產(chǎn)水平和生產(chǎn)質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生非常直接的影響，其不僅影響到焦化產(chǎn)品的生產(chǎn)率，更是會(huì)直接影響到焦化生產(chǎn)的成本。所以，當(dāng)前焦化廠最重要的任務(wù)之一便是要全力推動(dòng)并實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t機(jī)械的全面自動(dòng)化，即無人值守模式來進(jìn)行焦化生產(chǎn)。在調(diào)查和了解的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段我國諸多焦化廠中實(shí)際生產(chǎn)所配置的人工資源，即操作人員數(shù)量占比還是非常高的，其與焦?fàn)t機(jī)械的全面自動(dòng)化目標(biāo)還是存在著比較大的差距[5]。因此，逐步提高焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制的水平和質(zhì)量有著至關(guān)重要的價(jià)值和意義，其需要通過不斷創(chuàng)新和完善焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行控制理念和方式來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煉焦行業(yè)焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行控制效率。

2 煉焦生產(chǎn)過程當(dāng)中所涉及焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備種類以及功能介紹

在煉焦行業(yè)，煉焦的生產(chǎn)過程是把合適數(shù)量的煤放入到密封的容器當(dāng)中進(jìn)行加熱，再經(jīng)過一定的時(shí)間之后煤轉(zhuǎn)變成為焦炭的過程。煉焦過程中使用到的密封容器指的便是焦?fàn)t炭化室。

煉焦的生產(chǎn)流程是非常清晰明確的，而且基本上都是固定的模式：首先，將適量煤放入到密閉焦?fàn)t炭化室進(jìn)行隔絕空氣加熱；其次，經(jīng)過一段時(shí)間加熱之后將燒熱的焦炭運(yùn)出焦?fàn)t炭化室；最后，在運(yùn)走全部焦炭之后進(jìn)行熄滅。

以頂裝焦?fàn)t為例，在常規(guī)要求下，煉焦所使用到的機(jī)械設(shè)備多以大型設(shè)備為主，最具代表性的便是四大車，即裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車，見圖1。其中，裝煤車的功能和作用主要是把原料煤運(yùn)輸裝入到焦?fàn)t炭化室當(dāng)中，通常以螺旋形式送煤，手動(dòng)操作開閉爐蓋，推焦車對(duì)焦?fàn)t炭化室里面的煤料上表面進(jìn)行推平處理。在結(jié)焦過程中把煤焦油從炭化室里面提取出來。結(jié)焦完成后，推焦車、攔焦車自動(dòng)打開對(duì)應(yīng)炭化室爐門，推焦車將成熟的焦炭從焦?fàn)t機(jī)側(cè)向焦側(cè)推出，攔焦車的功能是將成熟焦炭通過導(dǎo)焦柵倒運(yùn)至熄焦車中，完成推焦過程后，推焦車、攔焦車手動(dòng)操作關(guān)閉炭化室爐門。熄焦車將成熟的炙熱焦炭運(yùn)輸?shù)较ń顾?，完成熄焦作業(yè)。

圖1 焦?fàn)t機(jī)械大型設(shè)備類型

焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制，主要就是要對(duì)上述大型機(jī)械設(shè)備，即裝煤車、推焦車、攔焦車以及熄焦車之間的彼此配合和運(yùn)作進(jìn)行精準(zhǔn)管控，以保證按時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)同時(shí)保證穩(wěn)步提升生產(chǎn)效率的目的。

3 關(guān)于焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢分析

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

在最開始階段，我國對(duì)焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的研究力度并不強(qiáng)，多是直接引進(jìn)國外焦?fàn)t設(shè)備或者購買國外焦?fàn)t設(shè)備制作和使用技術(shù)。在后續(xù)發(fā)展過程中，這種嚴(yán)重依賴國外技術(shù)和設(shè)備的方式已經(jīng)不能再很好地滿足煉焦行業(yè)的發(fā)展需求。因此，我國開始不斷加強(qiáng)對(duì)焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的研究力度，并且在比較短的時(shí)間內(nèi)便成功研制出了5.5 m 焦?fàn)t以及設(shè)備，又在此基礎(chǔ)之上順利研制出了6 m 焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備，其中電磁鐵揭爐蓋便是最具代表性的成果之一。

縱觀現(xiàn)階段我國焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的研究現(xiàn)狀，雖然取得了諸多研究成果，但是也逐漸暴露出了一些問題，諸如：焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備研究是建立在過度消耗原材料的基礎(chǔ)之上，從實(shí)際研究成果和原材料消耗對(duì)比中，不得不承認(rèn)其成功率還是比較小的，尤其在高效設(shè)備的研究方面，與世界發(fā)達(dá)國家相比存在著不小的差距。在研究焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備時(shí)，實(shí)際研究工作中對(duì)先進(jìn)設(shè)備的利用率還有著非常大的提升空間[6-7]。此外，焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備研究中，設(shè)備和技術(shù)的融合度并不是很高。

在多年研究和發(fā)展過程中，我國針對(duì)煉焦行業(yè)所開展的焦?fàn)t研究工作成果越發(fā)豐富和多元，其中頂裝焦?fàn)t也有著越來越多的型號(hào)，側(cè)裝搗固焦?fàn)t型號(hào)也越發(fā)豐富，從實(shí)際生產(chǎn)工藝角度來看，其也已經(jīng)可以與先進(jìn)國際化水平相媲美。

以6 m 焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)為例，其擁有著非常顯著且獨(dú)特的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）對(duì)裝煤車做出相應(yīng)的改造處理，用雙曲線斗嘴對(duì)裝煤操作進(jìn)行簡化，如此也可縮短裝煤的時(shí)間。

2）針式料位計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了按照可控程序裝煤的目標(biāo)。

3）將裝煤車安裝上螺旋給料或者轉(zhuǎn)盤給料裝置，增加煤料中的水分含量，借助先進(jìn)性且多元化的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)高壓氨水消煙裝煤處理。

3.2 發(fā)展趨勢

3.2.1 焦?fàn)t設(shè)備智能化

在科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展與提高的大背景下，用戶對(duì)焦?fàn)t技術(shù)要求也將日益增加，而焦?fàn)t機(jī)械又必須通過不斷革新提高才能更好地滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展要求，因此智能化將是焦?fàn)t機(jī)械未來發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)。焦?fàn)t的自動(dòng)化技術(shù)一方面能夠在較大范圍上實(shí)現(xiàn)人工勞動(dòng)強(qiáng)度的解放，另一方面還能夠顯著提高作業(yè)的可靠性，增強(qiáng)焦?fàn)t的工作安全性[8]。

3.2.2 焦?fàn)t大型化

據(jù)了解，在我國煉焦領(lǐng)域中，大多數(shù)企業(yè)首選的還是6 m 焦?fàn)t這種大型化焦?fàn)t。這類大型化焦?fàn)t的使用在很大程度上提高了我國的焦炭產(chǎn)量。此外，加之焦?fàn)t設(shè)備中越來越多高科技手段的引入和應(yīng)用，整套焦?fàn)t機(jī)械也都是按照一次對(duì)位來進(jìn)行，并且采用推焦串序方式來操作。

在煉焦行業(yè)，6 m 的焦?fàn)t屬于大型焦?fàn)t范疇，而且6 m 焦?fàn)t的一大優(yōu)勢還體現(xiàn)在其環(huán)保性能方面，在實(shí)際使用過程中也呈現(xiàn)出產(chǎn)量高、成本低、熱損小、占地面積小等特點(diǎn)，這也是6 m 焦?fàn)t的主要優(yōu)勢所在。在了解過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段我國很多煉焦企業(yè)使用的都是這一種焦?fàn)t，一般情況下，6 m 焦?fàn)t單孔日常量可以達(dá)到22 t 左右，與此同時(shí)，使用6 m 焦?fàn)t還成功減小了出焦過程中污染物的影響程度。

3.2.3 焦?fàn)t設(shè)備自動(dòng)化及機(jī)械化

在焦?fàn)t設(shè)備完成了生產(chǎn)任務(wù)以后，焦?fàn)t設(shè)備中的構(gòu)件都有待清潔處理，其主要包括爐框、爐臺(tái)、爐門、裝煤座等，如無法進(jìn)行完全機(jī)械化，則整個(gè)焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的清潔工作將會(huì)顯得十分麻煩。而隨著焦?fàn)t設(shè)備自動(dòng)化以及生產(chǎn)機(jī)械化進(jìn)展，在設(shè)備清洗后的操作能力上便解放了大部分的人工勞動(dòng)強(qiáng)度，無人作業(yè)程度也愈來愈高。

3.2.4 干熄焦設(shè)備發(fā)展

在當(dāng)前煉焦領(lǐng)域，干熄焦技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。干熄焦技術(shù)的應(yīng)用，一方面提升了焦炭的質(zhì)量，另一方面也為冶金企業(yè)節(jié)約能源提供了強(qiáng)大助力。此外，干熄焦技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展理念有著高度契合性，干熄焦技術(shù)本身的污染就要低于其它技術(shù)[9]。有越來越多的煉焦企業(yè)選擇使用干熄焦設(shè)備和干熄焦技術(shù)。

3.2.5 側(cè)裝煤搗固

在之前很長一段時(shí)間內(nèi)，焦?fàn)t制作企業(yè)選擇使用的都是頂裝煤焦?fàn)t，為了進(jìn)一步節(jié)約煉焦的成本，同時(shí)積極迎合我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展需求，現(xiàn)在的煉焦企業(yè)開始全力向側(cè)裝煤焦?fàn)t過渡，市場上對(duì)搗固焦?fàn)t的設(shè)備需求越來越高，實(shí)踐證明搗固焦?fàn)t市場的發(fā)展前景也非常廣闊。

4 焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行控制

4.1 焦?fàn)t機(jī)車的聯(lián)鎖控制過程以及安全聯(lián)鎖條件

在煉焦過程中，按照設(shè)計(jì)要求的煤車在裝完一定的煤料之后就會(huì)按照預(yù)定時(shí)間來推焦車完成平煤工作。在完成煉焦之后就會(huì)進(jìn)行推焦，而在推焦期間推焦車、攔焦車和熄焦車都需要到達(dá)炭化室中的指定位置。此外，推焦車、攔焦車和熄焦車必須保持一條直線，后方可完成推焦過程。在推焦、平煤的過程中，自動(dòng)識(shí)別機(jī)車所處爐號(hào)并主動(dòng)走行至推焦?fàn)t路，同時(shí)完成摘鍋爐閥門聯(lián)鎖、平煤聯(lián)鎖機(jī)和推焦聯(lián)鎖。

關(guān)于各個(gè)部件聯(lián)鎖控制的條件，其具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）推焦聯(lián)鎖控制允許推焦的條件。推焦聯(lián)鎖控制允許推焦的條件是根據(jù)既定爐號(hào)，推焦車、攔焦車以及熄焦車要對(duì)號(hào)入座；攔焦車的導(dǎo)焦槽要精準(zhǔn)到位。只有在上述條件滿足的情況下，并且經(jīng)過確認(rèn)之后才可開始推焦。通常在熄焦車與攔焦車的操作臺(tái)上面都會(huì)設(shè)置緊急停止按鈕裝置，如果在推焦時(shí)工作人員發(fā)現(xiàn)熄焦車或者是攔焦車出現(xiàn)了問題或者故障，便可迅速按下緊急停車按鈕，阻止推焦桿繼續(xù)前進(jìn)。

2）摘爐門聯(lián)鎖控制允許摘爐門條件。首先，推焦車和攔焦車的摘門機(jī)一定要和出焦炭化室的中心點(diǎn)精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)；其次，要確?，F(xiàn)在時(shí)間和計(jì)劃出焦的時(shí)間在可允許范圍之內(nèi)。在保證這兩個(gè)條件的前提下才可采取相應(yīng)措施。

3）裝煤聯(lián)鎖控制允許裝煤條件。裝煤車聯(lián)鎖控制需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件，第一個(gè)條件是裝煤車的裝煤槽要和裝煤的爐號(hào)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)；第二個(gè)條件則是爐號(hào)焦側(cè)的爐門保持緊閉狀態(tài)。在滿足以上兩個(gè)條件后，才可進(jìn)行裝煤聯(lián)鎖控制。

4）取煤聯(lián)鎖控制允許下煤條件。必須要保證裝煤車的裝煤口和下一個(gè)煤口精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，同時(shí)裝煤槽擋板要保持關(guān)閉。在同時(shí)滿足這兩個(gè)條件之后才可下煤。

4.2 焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備部分調(diào)節(jié)和運(yùn)行控制措施

4.2.1 針對(duì)集氣管壓力和鼓風(fēng)機(jī)前吸力的控制

對(duì)集氣管壓力和鼓風(fēng)機(jī)前吸力進(jìn)行控制，其目的是更好地維持焦?fàn)t壓力的穩(wěn)定性，在集壓力控制系統(tǒng)過程中，由于焦?fàn)t、通風(fēng)機(jī)等控制器本身就是一種錯(cuò)綜復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而其間又存在著相當(dāng)復(fù)雜的耦合關(guān)系，使得各個(gè)控單回路之間往往會(huì)發(fā)生擾動(dòng)情況，同時(shí)振蕩超調(diào)的現(xiàn)象也十分強(qiáng)烈[10]。而且在實(shí)際工作過程中由于控制對(duì)象的模擬參數(shù)會(huì)隨時(shí)跟著焦?fàn)t工況所變化的狀況而變化，因此，PID 控制器也就很難確保同時(shí)實(shí)現(xiàn)增加速度與降低超調(diào)的要求，尤其是在壓力發(fā)生了大幅度的瞬間躍變狀況之后，若仍然采用常規(guī)的控制算法則更難以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。這樣便需要適用與專家控制理論相結(jié)合的控制策略，來達(dá)到對(duì)全爐壓力的平衡與快速調(diào)節(jié)，逐步實(shí)現(xiàn)爐間、組間壓力以及總管吸力的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4.2.2 針對(duì)焦?fàn)t煤氣總管壓力的控制

回爐煤氣總管壓力的控制本身強(qiáng)度是比較高的，在實(shí)際控制中呈現(xiàn)出壓力波動(dòng)范圍大且調(diào)節(jié)不宜太頻繁的特征。所以，針對(duì)焦?fàn)t煤氣總管壓力的控制多會(huì)選用分段比例控制的方式。回爐煤氣總管壓力一般會(huì)要求在某一壓力范圍之內(nèi)波動(dòng)，不可超出要求壓力范圍上線。

4.2.3 針對(duì)焦?fàn)t加熱燃燒流量的控制

焦?fàn)t的升溫和燃燒壓力的控制，主要目的是有效控制焦?fàn)t在高溫的穩(wěn)定性。通常情況下，通過裝煤量、結(jié)焦時(shí)間等因素，就可以計(jì)算出焦?fàn)t煉焦需要的大致加能量，在得到了焦?fàn)t火的溫度之后，還可以通過確定了焦?fàn)t的溫度和煤流量，來實(shí)現(xiàn)串級(jí)的PID 計(jì)算。

5 結(jié)語

在煉焦領(lǐng)域，對(duì)焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行有效控制至關(guān)重要。要想進(jìn)一步提高焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備運(yùn)行控制的效率，就必須要加強(qiáng)對(duì)焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論的研究，要深入了解和掌握焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備控制的運(yùn)行原理，同時(shí)結(jié)合煉焦實(shí)際需求來不斷創(chuàng)新和優(yōu)化焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行方式，完善焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行效果。